Оптические преобразователи
§2 Оптические преобразователи
§2-1 Основные свойства оптического излучения
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 0,001-1000 мкм. Оптический спектр делится на поддиапазоны: g-излучение, ультрафиолетовое излучение, радиоволны. Наибольшей чувствительностью человеческий глаз обладает в диапазоне 0,4-0,8 мкм.
Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц – квантов, энергия которых составляет w=hn, где h=6,6256*10-34Джс – постоянная Планта. Кванты видимого света обладают энергией 2-5эВ.
Основной величиной энергетической и фотометрической систем является поток энергии j, определяемых в Ваттах, а в системе фотометрических величин – в Люменах. Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза Кl= Vl/(Vl)max называется кривой видности и равна 1 при l=0,555 мкм.
Связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой определяется основными законами.
Закон Стефана-Больцмана определяет связь между энергетической светимостью R АЧТ и его температурой: R=sТ4, где s = 5,6697*10-8Вт/(м2К4) – постоянная Стефана-Больцмана.
Закон Плана дает качественную характеристику лучистого потока, указывая, как распределяется энергия излучения АЧТ по длинам волны: Rl(lТ) = Сil -5{exp[C2/(Тl)]-1}-1, где Сi=3,7415*10-16 Вт*м2, C2=1,438810-2 м*К.
Закон Галицина-Вина позволяет определить длину волны излучения АЧТ, соответствующую максимуму кривой Rl(lТ); lmax=2898/Т max.
Рекомендуемые материалы
Прохождением оптического излучения через вещество характеризуется поглощением и рассеиванием. Интенсивность пучка параллельных лучей при прохождении слоя среды толщиной c убывает вследствие поглощения по закону: jc= j0e-Кlc.
Коэффициент поглощения Кl зависит от длины волны. У прозрачных веществ в видимой области спектра Кl составляет от 10-3 м-1 (воздух) до 1 м-1 (стекло).
Изменением интенсивности излучения за счет поглощения в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения лежат в основе действия целого ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава веществ.
Электромагнитные волны, в том числе и световые, являются поперечными, а важной характеристикой оптического излучения является плоскость поляризации, т.е. плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля и направление распространения электромагнитной волны. Для многих веществ показатель преломления и скорость распространения имеют различные значения в зависимости от ориентации плоскости поляризации.
Оптически активные вещества (сахар, высокомолекулярные соединения) способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света прямо пропорционально концентрации и толщины слоя. Поляризованность света характеризуется способностью вектора Е сохранять неизменной свою ориентацию в пространстве.
§2-2 Источники оптического излучения
В измерительных преобразователях в качестве источников излучения используются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Основными характеристиками источников излучения являются характер свечения (непрерывный или импульсный), спектральный состав излучения, мощность излучения, потребляемая мощность.
Лампы накаливания имеют непрерывный спектр излучения, охватывающий видимую и инфракрасную области. Спектральный состав и интенсивность свечения зависят от температуры нити, определяемой напряжением и током питания. Характер свечения – непрерывный.
Газоразрядные лампы подразделяются на лампы непрерывного свечения и импульсные. Имеют линейный спектр свечения.
Лазеры применяются газовые, твердотельные и полупроводниковые. Параметры свечения зависят от излучения и могут быть с непрерывным свечением, импульсным и одиночным. В измерительной технике наибольшее распространение получили газовые лазеры, излучение которых отличается высокой степенью монохроматичности и поляризованности.
Светодиоды представляют собой излучающий p-n переход. Могут работать как в непрерывном режиме, так и в импульсном. Достоинствами их является высокий k*n*q, возможность модуляции, малые габариты, высокая надежность.
§2-3 Приемники излучения
Интегральные приемники – это тепловые преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании энергии излучения в температуру. К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи (ФП), в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта.
А) Фотоэлементы с внешним фотоэффектом – это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия их заключается в том, что кванты света достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.
Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрокатоды: катод и анод (рис. 20).
Рис.20(а) Рис. 20(б)
Электроток может покинуть катод, если энергия фотона больше работы выхода, т.е. hn>А. А - работа выхода, которая зависит от химической природы и состояния поверхности. Поэтому спектральные характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов целиком определяются свойствами фотокатода. ВАХ вакуумного фотоэлемента показана на рис. 20(в).
Физический механизм работы вакуумного фотоэлемента описывается уравнением Эйнштейна:
hn= А+(mu2/2),
где А - работа выхода, mu2/2- кинетическая энергия свободного электрона. Частота n= А/h – называется «красная граница фотоэффекта». При меньшей частоте n энергия квантов меньше работы выхода и эффект невозможен.
Преобразование светового потока в ток практически безинерционно, т.к. определяется временем фотоэмиссии (около 10-12 с), и временем пролета электрона (около 10-9 с). При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать темновой ток. Это ток, вызванный термоэлектронной эмиссией с катода (около 10-12А) и ток утечки между электродами (около 10-10А). При слабых световых потоках эти токи могут быть сравнимы и погрешность достигнет 50%.
Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи в несколько раз больше вакуумных. При заполнении фотоэлемента инертными газами фотоэлектроны, движущиеся к аноду, ионизируют газ и число носителей зарядов растет, растет и ток. Коэффициент газового усиления может достигнуть 6-7. Соответственно этому, чувствительность газовых фотоэлементов составляет Sj=100-250мкА/м., а инерционность выше вакуумных на несколько порядков.
Фотоэлектродный умножитель (ФЭУ) – это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии (рис.21).
Рис.21
Коэффициент вторичной эмиссии может составлять 2,5-4. Общий коэффициент умножения в многокаскадных умножителях достигает сотен тысяч и выходной ток может достигать 1mА. Процесс умножения практически безинерционен. Для питания фотоумножителей требуется высокое напряжение (около 1000В), нагрузка должна быть высокоомной (сотни килом).
В) Внутренний фотоэффект реализован в фотоэлементе – фоторезисторе.
Фоторезистор представляет собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта, т.е. перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это возможно если энергия квантов больше ширины запрещенной зоны. Т.к. ширина у ряда химических элементов различна, то и спектральная характеристика фоторезисторов различна и лежит в пределах 0,2-3 мкм по длине волны. По чувствительности фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления под действием света.
к=Rтем/ R200лк »105
Вольтамперные характеристики линейны в пределах допустимой мощности рассеивания. Световая характеристика линейна только до 200 люкс. Постоянная времени составляет 10-2-10-5с.
Недостатком фоторезисторов является то, что темновое сопротивление, чувствительность, инерционность сильно зависят от температуры. Для большинства фоторезисторов температурный диапазон составляет от -60 до +60°С.
Конструктивное исполнение фоторезисторов может иметь разнообразные конфигурации и размеры.
Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоянного, так и переменного напряжения питания. Наиболее распространенной цепью питания является мостовая цепь.
При выборе элементов мостовой цепи следует иметь в виду, что сопротивление фоторезистора изменяется в широких пределах и может внести дополнительную нелинейность.
Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников и содержат один и более p-n – переходов. При освещении p-n – перехода создается дополнительная концентрация носителей в переходной зоне и в областях p и n. Это приводит к усилению диффузии к p-n – переходу и в самом переходе. У диода, включенному в обратном направлении возрастает обратный ток. Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых диодов – до l=2мкм, для кремниевых - до lэф=1,2мкм).
Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном режимах. В фотодиодном источнике питание включается в обратном направлении и ток диода зависит от освещенности. Схемы включения показаны на рис. 22.
Рис.22
Рекомендуем посмотреть лекцию "31 Библиографический список".
В генераторном режиме в ФД преобразуется энергия светового потока в электрическую энергию. При освещении p и n областей за счет переходов носителей тока (дырок и электронов) из валентной зоны в зону проводимости растет концентрация основных и неосновных носителей тока. Неосновные носители электрическим полем объемного заряда переносятся из зон, где они неосновные, в соседнюю зону, где они основные. Концентрация их там растет и образуются некомпенсированные заряды, которые и создают потенциалы в пределах 0,-0,5В на холостом ходу.
Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету.
Их недостатком является большая погрешность, обусловленная усталостью, старением, влиянием температуры. Основное их применение в следующих случаях:
1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала имеющего диск с отверстиями.
2. В качестве преобразователя в компенсационных измерительных приборах.
3. При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором
